水稻長期氮肥效率和土壤氮素平衡

許海敏，王順法，馮敏謝，唐旭

(1.臺州市椒江區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 臺州 318000； 2.臺州市椒江區(qū)三甲街道辦事處，浙江 臺州 318013；3.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

氮是植物生長的必須營養(yǎng)元素之一，植物對氮素的需求量也相對較高。而且在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，與其他營養(yǎng)元素(如磷鉀)不同的是氮肥不是是否施用，而是必須施用。因此，氮肥經(jīng)常是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)至關(guān)重要的元素，外源氮肥的投入就成為必然。而一味追求更高產(chǎn)量，忽視土壤和環(huán)境本身養(yǎng)分供應(yīng)能力以及氮肥效率，過量施用氮肥，不但造成低資源利用率，還帶來高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[1-5]。18年長期試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤對水稻產(chǎn)量的地力貢獻(xiàn)率可達(dá)75%～81%，肥料的增產(chǎn)貢獻(xiàn)率為19%～25%，可維持生產(chǎn)水稻6～7 t·hm-2[6]。另一個(gè)10年的長期田間試驗(yàn)結(jié)果表明，紫色土對水稻產(chǎn)量的地力貢獻(xiàn)率平均為58%，肥料的增產(chǎn)貢獻(xiàn)率可達(dá)42～49%[7]。可見，由于土壤類型及養(yǎng)分供應(yīng)能力不同，土壤對水稻產(chǎn)量和肥料的增產(chǎn)貢獻(xiàn)影響存在很大差異。為此，本試驗(yàn)選擇有機(jī)質(zhì)、有效氮和速效鉀含量較高的水稻土，通過8年長期定位試驗(yàn)，利用水稻施肥量、地上部生物量及其含氮量，研究稻田土壤生產(chǎn)力、氮素供氮能力及其效率，以期達(dá)到水稻持續(xù)高產(chǎn)和生態(tài)安全的目的。

1 材料與方法

1.1 土壤監(jiān)測點(diǎn)概況

水稻長期定位試驗(yàn)開始于2011年6月，試驗(yàn)地點(diǎn)位于浙江省臺州市椒江區(qū)三甲街道堅(jiān)決村(121°29′260″E，28°26′251″N)，海拔3～4 m，年平均氣溫16～17 ℃，年活動(dòng)積溫5 200～5 300 ℃，年降水量1 500～1 600 mm，年日照總時(shí)數(shù)1 500～1 600 h，無霜期260～270 d。供試土壤屬于水稻土類，滲育型水稻土亞類，淡涂泥田土屬。母質(zhì)為淺海相沉積物，地形屬濱海平原。

試驗(yàn)地剖面結(jié)構(gòu)為A-AP-P(0～100 cm)，耕層土壤(0～20 cm)基本理化性狀：pH 6.28，有機(jī)質(zhì)41.3 g·kg-1，有效氮212.2 mg·kg-1，有效磷6.6 mg·kg-1，速效鉀119.0 mg·kg-1，陽離子交換量18.4 cmol·kg-1。小區(qū)面積66.7 m2，各小區(qū)間用60 cm深的水泥板隔開，肥、水互不側(cè)滲，且能獨(dú)立排灌(各小區(qū)內(nèi)設(shè)置進(jìn)水口和出水口各1個(gè))。2013和2014年采用自來水灌溉，其他年份采用河水灌溉。

1.2 處理設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：1)CK(不施肥)；2)NP(氮磷肥配施)；3)NPK(平衡施肥)；4)MNPK(有機(jī)肥配施無機(jī)肥)。每年種植1季水稻，N、P2O5、K2O平均每年施肥量156、43、32 kg·hm-2。試驗(yàn)期間氮肥以含量17%的碳銨做基肥，含量46%的尿素做追肥；磷肥用過磷酸鈣(P2O512%)；鉀肥用氯化鉀(K2O 60%)；有機(jī)肥主要原料為豬糞，年施用量4 500 kg·hm-2，其主要成分為有機(jī)質(zhì)≥45%，N、P2O5、K2O分別為2.4%、3.0%、1.4%。以全部有機(jī)肥、磷肥及60%的氮、鉀肥作基肥，于移栽前隨整地施入，40%的鉀和30%的氮肥做分蘗肥；10%的氮肥為穗肥。

田間管理按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培措施進(jìn)行。水稻于每年5月中旬播種，6月上中旬移栽，10月下旬收獲。2011年水稻品種為甬優(yōu)12號，2012—2018年為甬優(yōu)538號。

1.3 取樣與分析

采用手工收獲，將地上部生物量全部移除，田間清理干凈，只留下不到3 cm的作物茬子，籽粒和秸稈產(chǎn)量來源于整個(gè)小區(qū)。收獲的同時(shí)取植株樣品，經(jīng)烘干、粉碎后用于植株養(yǎng)分分析。

土壤、植株中各養(yǎng)分含量都按土壤農(nóng)化常規(guī)分析方法測定[8]。其中，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法，有效氮采用堿解擴(kuò)散法，有效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法，速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法，陽離子交換量采用EDTA-乙酸銨鹽交換法，pH值采用電位法(水土比例1∶2.5)；植株經(jīng)硫酸-過氧化氫消煮，分別采用半微量蒸餾法測氮、釩鉬酸比色法測磷、火焰光度法測鉀。

計(jì)算氮肥偏生產(chǎn)力[9-10]、氮素內(nèi)部利用率[11]和氮素累積回收率[12]。將不同年份作為試驗(yàn)重復(fù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel軟件進(jìn)行整理，并采用SAS統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 肥料增產(chǎn)貢獻(xiàn)率

圖1顯示，CK的水稻地上部總生物量為13.6～19.6 t·hm-2，8年平均產(chǎn)量為16.3 t·hm-2，相當(dāng)于平衡施肥區(qū)(NPK)的78.4%。CK的水稻籽粒產(chǎn)量平均為9.42 t·hm-2，占NPK處理產(chǎn)量的77.5%，可見肥料的增產(chǎn)貢獻(xiàn)率為22.5%。而在2013和2014年由于用自來水灌溉，肥料的增產(chǎn)貢獻(xiàn)率分別高達(dá)32.7%和33.1%，其他年份肥料增產(chǎn)貢獻(xiàn)率平均僅有21.5%。

圖1 水稻生物量及產(chǎn)量變化

2.2 籽粒和秸稈中氮含量

由表1可知，水稻籽粒和秸稈中氮含量分別在10.2～11.9 g·kg-1和4.9～5.8 g·kg-1，平均分別為11.1和5.4 g·kg-1。所有處理中，CK氮含量均最低。與CK相比，NP、NPK和MNPK處理的籽粒和秸稈中氮含量均有不同程度的提高，但施肥處理間籽粒和秸稈中氮含量均無顯著差異。

表1 水稻地上部氮含量、吸氮量及氮肥利用效率

注：同列數(shù)據(jù)后無相同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)。

2.3 籽粒和秸稈吸氮量

由表1可知，籽粒吸氮量為98.0～148.9 kg·hm-2，平均為129.8 kg·hm-2。施氮肥顯著提高籽粒吸氮量，NP、NPK和MNPK處理的吸氮量分別比CK提高35.1%、42.7%和52.0%。盡管NP和NPK處理間籽粒吸氮量無顯著差異，但MNPK顯著高于NP 12.5%。籽粒吸氮量占地上部吸氮量的66.7%～78.0%，平均為74.5%，說明水稻地上部吸收的氮素絕大部分被儲(chǔ)存在籽粒中。

秸稈吸氮量為33.5～51.0 kg·hm-2，平均為43.5 kg·hm-2。施氮肥也顯著提高了秸稈吸氮量，施氮處理比CK高32.2%～52.2%。與籽粒吸氮量相似，NP和NPK處理間秸稈吸氮量也沒有顯著差異，但MNPK比NP顯著提高12.6%。

2.4 氮肥偏生產(chǎn)力

由表1可知，氮素偏生產(chǎn)力范圍在55.5～61.4 kg·kg-1，平均為59.3 kg·kg-1。在3個(gè)施氮肥處理中，NP的氮素偏生產(chǎn)力最低；NPK和MNPK均顯著高于NP，分別提高10.1%和10.6%，但NPK和MNPK處理間無顯著差異。

2.5 氮素內(nèi)部利用率

由表1可知，氮素內(nèi)部利用率在62.8～73.3 kg·kg-1，平均67.8 kg·kg-1。在所有處理中，CK的氮素內(nèi)部利用率最高，比NPK和MNPK顯著提高10.9%和16.8%。

2.6 氮素養(yǎng)分平衡

由表2可知，長期種植水稻造成不施肥土壤(CK)中氮素8年間平均每年虧缺131.4 kg·hm-2。NP處理可使土壤每年氮素出現(xiàn)盈余362.1 kg·hm-2，但NPK處理的土壤氮素盈余量出現(xiàn)下降，尤其MNPK處理的土壤氮素盈余量比NP降低85.8%。連續(xù)氮磷配施，8年氮素累積回收率可達(dá)81.3%，而且在平衡施肥和增施有機(jī)肥條件下，氮素累積回收率分別提高13.4%和19.6%。

表2 氮素表觀平衡和累積利用率

3 小結(jié)與討論

本研究中連續(xù)8年不施肥的水稻每年平均產(chǎn)量為9.42 t·hm-2，占平衡施肥水稻產(chǎn)量的77.5%，肥料的增產(chǎn)貢獻(xiàn)率僅為22.5%。這主要是由于土壤本身肥力較高，試驗(yàn)前土壤有機(jī)質(zhì)、有效氮和速效鉀含量分別為41.3 g·kg-1、212.2 mg·kg-1和119 mg·kg-1。這種肥力水平較高，養(yǎng)分供應(yīng)能力較強(qiáng)的土壤，自然對肥料的依賴性相對較弱。盡管在此土壤上合理施用氮肥也能提高水稻產(chǎn)量，但氮肥過多施用對產(chǎn)量可能無意義。在2013和2014年由于采用自來水灌溉，肥料的增產(chǎn)貢獻(xiàn)率分別為32.7%和33.1%，其他年份肥料增產(chǎn)貢獻(xiàn)率平均僅有21.5%，說明來源于灌溉水的養(yǎng)分對水稻增產(chǎn)貢獻(xiàn)率可達(dá)10%以上。王定勇[7]的研究也表明，每年通過降水和灌溉水帶入的氮和鉀量可達(dá)55.21和18.10 kg·hm-2。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速增長、畜牧業(yè)的發(fā)展及氮肥用量的增加，通過大氣干濕沉降、灌溉水等途徑進(jìn)入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境養(yǎng)分?jǐn)?shù)量也越來越大，已成為稻田營養(yǎng)的重要補(bǔ)充。

張福鎖等[10]對2001—2005年全國1 333個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析表明，在施氮量150 kg·hm2的條件下，水稻氮肥偏生產(chǎn)力平均為54.2 kg·kg-1。而筆者研究結(jié)果表明，3個(gè)施肥處理平均為59.3 kg·kg-1，略高于全國平均水平，這主要是因?yàn)楸狙芯恐斜M管水稻施肥量略高，但產(chǎn)量更高，施氮水稻平均每年產(chǎn)量都在12.3 t·hm2以上。

在18年稻麥輪作系統(tǒng)中，平衡施肥的早稻、晚稻和單季稻內(nèi)部利用率分別為37.2、36.7和45.1 kg·kg-1[6]，低于國外平均水平68 kg·kg-1[11]。而在本研究中，平衡施肥的水稻每吸收1 kg氮素可生產(chǎn)66.1 kg籽粒，接近國外平均水平，說明管理水平與國外相當(dāng)。

大麥19年的氮累積回收率為80.9%[13]，類似地，在玉米-冬小麥輪作系統(tǒng)中，氮的累積回收率為69%[10]。而在本研究中，平衡施肥水稻8年的氮素累積回收率可達(dá)92.2%。養(yǎng)分累積回收率清楚地表明了養(yǎng)分投入與產(chǎn)出的關(guān)系，是反應(yīng)作物實(shí)際對養(yǎng)分吸收狀況的一個(gè)重要參數(shù)，可作為水稻生產(chǎn)中肥料合理施用的一個(gè)主要指標(biāo)。